KR102141914B1 - 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 및 이를 적용한 연약지반 강화공법 - Google Patents

연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 및 이를 적용한 연약지반 강화공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 시멘트, 초속경 시멘트, CSA계 시멘트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 시멘트 100 중량부에 대하여; 제강슬래그 10 내지 30 중량부; 고로슬래그 10 내지 30 중량부; 석고 8 내지 20 중량부; 탈황공정 부산물 5 내지 15 중량부; 제지소각재 5 내지 15 중량부; 폴리스티렌설폰산 칼슘 5 내지 15 중량부; 액상 규산소다(Na2SiO3) 5 내지 15 중량부; 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 1 내지 10 중량부; 불화칼슘(CaF2) 1 내지 10 중량부; 염화암모늄(NH4Cl) 1 내지 10 중량부; 카다놀 0.5 내지 7 중량부; 및 음이온성 계면활성제 0.1 내지 3 중량부를 포함하여, 유해물질의 용출이 거의 없어 토양오염을 방지하면서 제강슬래그, 고로슬래그와 같은 폐기물을 재활용할 수 있어 친환경적이며, 경화가 촉진되어 급결이 가능하되 압축강도가 높아 기존 대비 더 적은 양으로도 충분한 고화작용을 수행할 수 있도록 한 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 및 이를 적용한 연약지반 강화공법에 관한 것이다.

Description

연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 및 이를 적용한 연약지반 강화공법{Eco-friendly solidification agent composition for solidifying weak ground and method for solidifying weak ground using the same}
본 발명은 유해물질의 용출이 거의 없어 토양오염을 방지하면서 제강슬래그, 고로슬래그와 같은 폐기물을 재활용할 수 있어 친환경적이며, 경화가 촉진되어 급결이 가능하되 압축강도가 높아 기존 대비 더 적은 양으로도 충분한 고화작용을 수행할 수 있도록 한 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 및 이를 적용한 연약지반 강화공법에 관한 것이다.
일반적으로, 해안 습지나 하천, 호수, 항만 등의 간척 또는 준설매립지와 같은 습기를 가지고 있는 연약지반은 다양한 방법으로 탈수시켜 연약지반 전체를 견고하고 균일하게 응결, 경화시켜야만 건축물 축조 시 침하를 방지하고, 지지력을 확보할 수 있다. 따라서, 연약지반을 급속히 개량할 수 있는 경제적인 시공법이 요구되며, 또한 연약지반 전부를 단시간에 균일하게 응결, 경화시킬 수 있는 고화제(SOLIDIFICATION AGENT)가 요구된다. 특히, 고화제의 경우에는 점성도 지반의 공극을 치밀하게 메우면서 짧은 시간 내에 경화되고, 충분한 강도를 유지할 수 있어야 지반 공사를 신속하면서도 단단하게 시행할 수 있다.
이러한 연약지반 강화에 사용되는 시멘트계 고화재는 1975년대로 일본의 시멘트 회사에서 지반개량용, 강 호수 퇴적물이나 오니의 고화용, 산업폐기물 처리용 등 여러 종류의 고화용 특수 시멘트를 개발하여 시판하였다. 이와 같은, 특수 시멘트는 경제적인 고화처리를 위해 유효성분을 첨가하거나 조성을 조정한 시멘트 클링커를 사용하였으며, 분말도를 조정하는 등 여러 가지 변형을 주었다. 하지만, 기본적으로 시멘트를 모체로 하기 때문에 통칭해서 시멘트계 고화재로 불리게 되었다. 또한, 생석회를 모재로 하는 경우엔 석회계 고화재, 생석회와 시멘트를 복합적으로 사용하는 경우는 생석회(CaO) 복합 고화재라고도 일컫는다.
최근에는 고함수 및 유기질 토양 등에 일반 보통 포틀랜드 시멘트로는 지반개량이 어려운 것을 개선하기 위해 포졸란(pozzolan) 물질, 무수석고, 칼슘 설포 알루미네이트계(calcium sulfoaluminate system) 화합물 등을 혼합하여 시멘트의 사용량을 줄이면서 강도증진 및 팽창저감 효과를 발휘하여 보다 지반 개량에 효과적인 제품이 개발되고 있다.
이와 관련하여 대한민국 등록 특허 제10-0876222호에서는 60~65중량%의 포틀랜드 시멘트와, 고로슬래그 미분말, 석탄회 미분말, 화산재, 왕겨재, 규조토, 실리카흄 및 제올라이트 중의 하나인 10~15중량%의 포졸란 물질과, CSA(Calcium Sulfo-Aluminate)와 석고 또는 CSA와 알루미나시멘트 중의 하나인 10~15중량%의 조강제와, 멜라민계, 나프탈렌계, 카르복실계 분산제 중의 하나인 10~15중량%의 분산제로 구성되고, 4,000cm2/g의 분말도를 갖는 연약지반 개량용 기능성 고화재를 제시하고 있다.
그런데 상기 기술은 환경부 고시로 규제하고 있는 6가 크롬이 존재하여 환경오염의 우려가 높고, 수화반응 진행 시 과도한 체적 수축이 발생하는 문제점이 남아있는 실정이다.
이에 시멘트 대신 슬래그를 대량 치환하여 사용하는 방법이 있으나, 이는 초기강도뿐만 아니라 장기적인 강도와 내구성이 만족할만한 수준에 이르지는 못하였다. 또한, 이 경우 초기강도 개선을 위해 알칼리 자극제나 촉진제를 사용하였는데, 토양과 혼합하여 시간이 지날수록 유동성이 저하되어 작업이 어렵게 되므로 촉진제 사용에도 한계가 있었다.
이에 따라 초기강도 향상, 과다한 물 혼합에도 경화 후 물리성능 확보, 주변 잔존수와의 접촉으로 인한 환경(토양, 수질)오염 최소화 등에 유리한 새로운 고화소재 개발이 요구되는 상황이다.
0001)대한민국 등록특허 제10-0876222호
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 유해물질의 용출이 거의 없어 토양오염을 방지하면서 제강슬래그, 고로슬래그와 같은 폐기물을 재활용할 수 있어 친환경적이며, 경화가 촉진되어 급결이 가능하되 압축강도가 높아 기존 대비 더 적은 양으로도 충분한 고화 작용을 수행할 수 있도록 한 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 및 이를 적용한 연약지반 강화공법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 구현 예는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 시멘트, 초속경 시멘트, CSA계 시멘트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 시멘트 100 중량부에 대하여; 제강슬래그 10 내지 30 중량부; 고로슬래그 10 내지 30 중량부; 석고 8 내지 20 중량부; 탈황공정 부산물 5 내지 15 중량부; 제지소각재 5 내지 15 중량부; 폴리스티렌설폰산 칼슘 5 내지 15 중량부; 액상 규산소다(Na2SiO3) 5 내지 15 중량부; 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 1 내지 10 중량부; 불화칼슘(CaF2) 1 내지 10 중량부; 염화암모늄(NH4Cl) 1 내지 10 중량부; 카다놀 0.5 내지 7 중량부; 및 음이온성 계면활성제 0.1 내지 3 중량부;를 포함하는 것인 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 제공한다.
상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 펄프, 제지슬러지 및 제지오니의 발효물 1 내지 10 중량부를 더 포함하는 것이고; 상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은 수분 함유량이 15 내지 18%인 것일 수 있다.
상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 혼합하여, 해양심층수에 침지시키는 단계; 상기 침지된 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 총 수분 함유량이 30 내지 40%(v/w)가 되도록 조절한 후, 1×106~8 CFU/ml의 미생물의 배양물을 혼합하고 25 내지 38℃에서 24 내지 75시간 동안 발효시키는 단계; 상기 발효된 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 건조하여, 최종 수분 함유량이 15 내지 18%(v/w)가 되도록 조절하여 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물을 제조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조되는 것이고; 상기 미생물은 슈도자이마 스피시스(Pseudozyma sp.), 락토바실러스 (Lactobacillus sp.), 바실러스 (Bacillus sp), 류코노스톡 (Leuconostoc sp.) 속 및 이들의 혼합 미생물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
상기 제강슬래그는 분말도가 4,000 내지 8,000 cm2/g인 스테인레스 제강슬래그인 것이고; 상기 고로슬래그는 분말도가 3,000 내지 5,000 ㎠/g인 것이고; 상기 석고는 SO3의 함량이 1 내지 30 중량%이고, CaO의 함량이 50 내지 90 중량%인 것이고; 상기 카다놀은 캐슈넛 오일의 주성분인 아나카딕산(anacardic acid)으로부터 추출된 성분인 것이고; 상기 음이온성 계면활성제는 암모늄폴리옥시에틸렌라우릴에테르설페이트, 암모늄라우릴설페이트, 모노이소프로파놀아민라우릴에테르설페이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현 예는 연약지반의 토양과 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 굴착 및 혼합하여 연약지반을 강화하는 연약지반 강화공법에 있어서, 상기 연약지반 토양 100 중량부에 대하여, 상기 본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 10 내지 50 중량부 및 물 3 내지 30 중량부를 굴착 및 혼합하여, 연약지반을 강화하는 연약지반 강화공법을 제공한다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 유해물질의 용출량이 거의 없어 환경부 고시에 부합되고, 토양오염이 없으며, 단시간에 고화가 촉진되어 공사 기간을 단축할 수 있음과 아울러 압축강도는 향상되어 기존 대비 상대적으로 적은 양의 고화제를 사용하더라도 동등 이상의 효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
이로써, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 연약지반 강화공법에 유리하게 적용할 수 있다.
도 1은 실시예 3에 따른 고화토의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현 예는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 시멘트, 초속경 시멘트, CSA계 시멘트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 시멘트 100 중량부에 대하여; 제강슬래그 10 내지 30 중량부; 고로슬래그 10 내지 30 중량부; 석고 8 내지 20 중량부; 탈황공정 부산물 5 내지 15 중량부; 제지소각재 5 내지 15 중량부; 폴리스티렌설폰산 칼슘 5 내지 15 중량부; 액상 규산소다(Na2SiO3) 5 내지 15 중량부; 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 1 내지 10 중량부; 불화칼슘(CaF2) 1 내지 10 중량부; 염화암모늄(NH4Cl) 1 내지 10 중량부; 카다놀 0.5 내지 7 중량부; 및 음이온성 계면활성제 0.1 내지 3 중량부;를 포함하는 것인 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 제공한다.
상기 시멘트는 물과 반응에 의해 Ca(OH)2의 생성량을 증진시키고, 생성된 Ca(OH)2가 상기 순환자원(산업 부산물)들의 자극제 역할을 하도록 유도함으로써, 고화재의 양생 시 속경성 특성을 부여하고, 에트링자이트의 생성량 증가와 장기 강도 발현을 개선할 수 있는 역할을 한다. 이러한 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 시멘트, 초속경 시멘트, CSA계 시멘트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하고, 3,000 cm2/g 내지 5,000 cm2/g의 분말도를 갖는 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
상기 제강슬래그는 유해물질의 용출을 배제시키면서 고유동성 및 속경화성을 부여하여, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 충분한 압축강도 및 휨강도를 갖도록 하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 제강슬래그는 분말도가 4,000 내지 8,000 cm2/g인 스테인레스 제강슬래그인 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 상기 제강슬래그는 상기한 개선 효과 및 작업성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 고로슬래그는 유해물질의 용출을 배제시키면서 고유동성 및 고강도를 부여하여, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 작업성의 개선과 잠재 수경성 반응에 의한 장기강도 증진 및 공극의 충전이 효과적으로 이루어지는 효과를 제공한다. 이러한 상기 고로슬래그는 분말도가 3,000 내지 5,000 ㎠/g인 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 상기 고로슬래그는 상기한 개선 효과 및 작업성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 10 내지 30 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 석고는 고함수 토양에서 초기 수분 탈수와 강알칼리 자극제로 사용될 수 있고, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 고유동성 및 압축강도 발현 향상을 위하여 사용되는 것으로, 이러한 석고는 SO3의 함량이 1 내지 30 중량%이고, CaO의 함량이 50 내지 90 중량%인 것을 사용하는 것이 좋다. 보다 구체적으로 상기 석고는 천연 무수석고, 페트로코크스 탈황석고, 불산 부산석고 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 이러한 석고는 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 8 내지 20 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 탈황공정 부산물은 제철소에서 제선공정 후 제강공정으로 이어지기 전 용선 예비처리, 용선 중 황 성분 등의 불순물을 제거하는 과정에서 부산물로 발생한다. 이러한 탈황공정 부산물은 주성분이 CaO, Ca(OH)2 및 CaSO4 성분으로 구성되어 있으며, SO3 함량이 0.5 내지 50 중량%이고, pH가 11.5 이상의 강알칼리 물질이며 강알칼리 자극제로서 역할을 수행할 수 있는 성질을 가진다. 이러한 상기 탈황공정 부산물은 탈황슬래그 미분말, 탈황더스트, 망초, 부산 소석회 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 바람직하게 사용할 수 있다. 이러한 상기 탈황공정 부산물은 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 제지 소각재는 종이제조공정 중 종이의 품질을 높이기 위하여 충진제로서 석회석 미분말을 사용한다. 이때 여분의 석회석 미분말이 슬러지로 배출되며, 이것을 소각하는 과정에서 산화칼슘의 함유량이 높은 소각재로 발생하게 된다. 산화칼슘과 수분이 반응하여 수산화칼슘이 되며, 이때 수분의 흡수, 발열하여 지반의 함수율을 저감시킬 수 있는 효과를 제공한다. 이러한 상기 제지 소각재는 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 폴리스티렌설폰산 칼슘은 연약지반 토양 간의 수밀성 및 부착성능을 증대시키고, 속경화성을 부여하며, 시멘트의 원활한 수화작용(포졸란 반응)을 도움으로써, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 우수한 압축강도 및 휨강도를 갖도록 하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 폴리스티렌설폰산 칼슘은 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 액상 규산소다(Na2SiO3)는 알칼리성 자극제로서 상기 제강슬래그 및 고로슬래그의 잠재수경성을 촉진시키고, 연약지반 토양 간의 부착성능을 증대시켜, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 우수한 압축강도를 갖도록 하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 액상 규산소다(Na2SiO3)는 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 5 내지 15 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2)은 알칼리성 자극제로서 상기 제강슬래그 및 고로슬래그의 잠재수경성을 촉진시키고, 속경화성을 부여하여, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 우수한 압축강도를 안정적으로 갖도록 하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2)은 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 1 내지 10 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 불화칼슘(CaF2)은 시멘트와 혼합하여 흡수성을 촉진하고, 동시에 고유동성 및 고강도를 부여하여, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 작업성의 개선과 우수한 압축강도를 갖도록 하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 불화칼슘(CaF2)은 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 1 내지 10 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 염화암모늄(NH4Cl)은 시멘트의 수화반응을 촉진시켜 속경화성을 부여하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 염화암모늄(NH4Cl)은 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 1 내지 10 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 카다놀은 연약지반 토양 간의 수밀성 및 부착성능을 증대시키고, 고유동성 및 고강도를 부여하여, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 작업성의 개선과 우수한 압축강도를 갖도록 하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 카다놀은 캐슈넛 오일의 주성분인 아나카딕산(anacardic acid)으로부터 추출된 성분인 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 상기 카다놀은 상기한 개선 효과 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.5 내지 7 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기 음이온성 계면활성제는 고유동성을 부여하여, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 혼화성 및 작업성을 개선하는 효과를 제공한다. 이러한 상기 음이온성 계면활성제는 암모늄폴리옥시에틸렌라우릴에테르설페이트, 암모늄라우릴설페이트, 모노이소프로파놀아민라우릴에테르설페이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용하여, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 상기 음이온성 계면활성제는 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.1 내지 3 중량부 범위로 함유될 수 있다.
또한, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물 1 내지 10 중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은 단시간에 고화가 촉진되는 효과가 있다. 뿐만아니라, 섬유보강제처럼 인장력을 향상시켜, 연약지반 토양의 안정적이고 우수한 장기강도 특성을 더욱 개선할 수 있고, 경화 후에는 땅 속에서 퇴비원으로 발효 과정을 거쳐 토양의 중성화를 유지해 주는 역할을 지속하는 효과가 있다.
이때, 상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은 수분 함유량이 15 내지 18%인 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 혼합하여, 해양심층수에 침지시키는 단계; 상기 침지된 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 총수분 함유량이 30 내지 40%(v/w)가 되도록 조절한 후, 1×106~8 CFU/ml의 미생물의 배양물을 혼합하고 25 내지 38℃에서 24 내지 75시간 동안 발효시키는 단계; 상기 발효된 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 건조하여, 최종 수분 함유량이 15 내지 18%(v/w)가 되도록 조절하여 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물을 제조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조되는 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
또한, 상기 펄프, 제지슬러지 및 제지오니는 1: 1 내지 3: 1 내지 3의 중량비율로 혼합한 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
또한, 상기 미생물은 슈도자이마 스피시스(Pseudozyma sp.), 락토바실러스 (Lactobacillus sp.), 바실러스 (Bacillus sp), 류코노스톡 (Leuconostoc sp.) 속 및 이들의 혼합 미생물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용하여 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다.
또한, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 당분야에서 일반적으로 사용되는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이러한 상기 첨가제의 비제한적인 예를들면, 지연제, 고화촉진제, 혼화제 등을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 지연제는 일정 시간 동안 작업성을 확보하고, 급격하게 경화되는 것을 지연하기 위하여 사용된다. 또한, 상기 고화 촉진제는 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물이 물과 접촉한 경우, 반응 속도가 빨라지게 함으로써, 압축강도를 수시간 내에 얻기 위하여 사용된다.
상기 지연제 및 고화촉진제는 1차 혼합한 후, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물에 2차 혼합하여, 보다 용이하게 작업성 및 압축강도를 원하는 시간내로 확보할 수 있는 효과가 있다. 이때, 상기 지연제는 무수 구연산, 함수 구연산, 붕산, 타르타르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있고; 상기 고화촉진제는 리튬카보네이트, 탄산나트륨, 포름산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
이러한 지연제는 상기한 개선 효과를 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 0.1 중량부 범위로 함유될 수 있다. 또한, 고화 촉진제는 상기한 개선 효과를 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 0.1 중량부 범위로 함유될 수 있다.
특히, 상기 지연제 및 고화촉진제를 1차 혼합할 때, 태양광의 자외선에 의해서 산화성 물질을 방출하는 이산화티탄, 산화아연, 산화철, 산화주석, 황화아연, 산화텅스텐, 영가철 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더욱 함께 혼합하여, 용이하게 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 적합한 점도와 경도를 부여할 수 있도록 조절함으로써, 작업성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 연약지반의 표면경화를 촉진하고, 이를 통해 표면 균열을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 자외선의 조사에 의해 가전자대에서 여기되어 전도대로 여기된 전자들이 가전자대의 정공에 이른 시간 내에 재결합되는 것을 억제하여 광화학 반응의 활성점을 최대로 지속시킴으로써 적은 양의 자외선 에너지량에서 광화학 반응이 충분함은 물론 금속이온에 의한 악취물질의 분해와 미생물의 살균메커니즘에 의해 더욱 우수한 탈취효과, 방호효과 및 살균효과를 발현할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 태양광의 자외선에 의해서 산화성 물질을 방출하는 이산화티탄, 산화아연, 산화철, 산화주석, 황화아연, 산화텅스텐, 영가철 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 0.1 중량부 범위로 더 포함하도록 함으로써, 상기한 효과를 더욱 개선할 수 있다. 특히, 산화아연; 또는 산화아연 및 산화철이 1:1 중량비율로 혼합된 것을 사용하여, 연약지반의 강도 및 내구성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물에는 유동성을 증진시키기 위하여 액상 또는 분말형 유동화 혼화제; 수중 분리를 방지하기 위하여 수중 불분리제; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 혼화제를 포함한다. 이때, 상기 유동화 혼화제로는 나프탈렌계, 멜라민계, 아민계, 리그닌계, 폴리 카르본산계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 바람직하게 사용할 수 있고; 상기 수중 불분리제로는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC), 하이드록시 에틸셀룰로오스(HEC), 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 에틸 하이드록시틸 셀룰로오즈(EHEC), 폴리 아크릴계, 다당체(POLY SACCARIDE), 하이드록시에틸 메틸셀룰로오스(HEMC), 폴리 에틸렌 옥시드(PEO)계, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)계 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 바람직하게 사용할 수 있다. 이러한 혼화제는 상기한 개선 효과, 작업성 및 경제성을 고려하여, 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 0.1 중량부 범위로 함유될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 유해물질의 용출량이 거의 없어 환경부 고시에 부합되고, 토양오염이 없으며, 단시간에 고화가 촉진되어 공사기간을 단축할 수 있음과 아울러 압축강도는 향상되어 기존 대비 상대적으로 적은 양의 고화제를 사용하더라도 동등 이상의 효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
이로써, 상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 연약지반 강화공법에 유리하게 적용할 수 있다.
이에, 본 발명의 다른 일 구현 예는 연약지반의 토양과 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 굴착 및 혼합하여 연약지반을 강화하는 연약지반 강화공법을 제공한다. 이때, 상기 연약지반 강화공법은 상기 연약지반 토양 100 중량부에 대하여, 상기 본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 10 내지 50 중량부 및 물 3 내지 30 중량부를 굴착 및 혼합하여, 연약지반을 강화할 수 있다.
상기 연약지반 토양으로는 당분야에서 일반적으로 적용되는 것으로 그 종류를 특별히 한정하지 않지만, 예를들면 점성토, 사질토, 이암층, 실트층, 유기질토 및 이들의 혼합 토양에 매우 바람직하게 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반의 강화공법은 특별한 제한을 받지 아니하며, 상기한 본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 이용하여 연약지반을 강화시키는 공법이 본 발명의 연약지반 강화공법에 해당된다.
이러한 연약지반 강화공법의 예를 들면, 연약지반의 표층에 본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 혼합하여 안정처리하고 중장비의 트래피커빌리티 확보, 저성토 기초, 도로노상부의 개량 등을 하는 표층혼합강화공법; 본 발명의 일 구현 예에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 원위치 지반에 첨가하여 원위치에서 혼합하여 연약 지반을 주상, 괴상 또는 전면적으로 개량하려고 하는 심층혼합강화공법 등을 들 수 있다.
상기 심층혼합강화공법은 1976년경부터 일본 운수성 항만기술연구소에 의해서 개발연구가 추진되었으며, 1970년대 중반에는 고화재 조성물을 이용하여 DLM(deep mixing method) 공법, 슬러리계 기계교반혼합강화공법 CDM(cement deep mixing)등의 명칭으로 실용화되었다. 또한, DLM공법과 동시에 스웨덴에서는 Lime Column공법이 개발되었으며 이 공법은 고화재 조성물을 고압공기로 압송하여 지중에 공급하고 교반혼합하는 것으로서 현재도 일부 이용되고 있다. 이러한 심층혼합강화공법은 고화재 조성물의 차이, 고화재 조성물의 공급방법의 차이, 또는 혼합방법의 차이에 의해서 매우 많은 종류가 있으며 편의상 기계적 혼합처리방식으로 통합할 수 있다. 한편 기계적 혼합처리방식과 달리 약액주입공법을 발전시킨 분사혼합처리방식은 고압의 고화재 조성물을 분사하면서 분사공을 회전하여 제트에 의한 흙과 고화재 조성물의 혼합을 기대하는 공법이다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
[비교예 1]
천연토사(사질토) 100 중량부에 대하여 1종 보통 포틀랜드 시멘트 30 중량부를 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 30 중량부의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합한 후, 균질하게 혼합하여 고화토를 제조하였다.
상기 제조된 고화토를 Ø5cm×10cm 크기의 원형 몰드에 충진하여 압축강도 측정용 공시체를 제조하였다.
[실시예 1 내지 3 및 비교예 2, 3]
하기 표 1에 나타낸 함량에 따라, 각각의 원료를 균질하게 혼합하여 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 및 비교용 고화재 조성물을 제조하였다.
이때, 하기 제강슬래그는 분말도가 7,350 cm2/g인 스테인레스 제강슬래그인 것을 사용하였고, 하기 고로슬래그는 분말도가 4,870 ㎠/g인 것을 사용하였고; 하기 석고는 SO3의 함량이 24 중량%이고, CaO의 함량이 63 중량%인 것을 사용하였다.
또한, 하기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은 다음의 과정에 따라서 준비되었다.
먼저, 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 1: 2: 1 중량비율로 혼합하여, 약 32℃에서 24 시간 동안 해양심층수에 침지시켰다. 이후, 상기 침지된 펄프, 제지슬러지 및 제지오니의 총 수분 함유량이 약 30%(v/w)가 되도록 조절한 후, 7.8×107 CFU/ml의 미생물(슈도자이마 스피시스(Pseudozyma sp.)을 혼합하고 약 37℃에서 72시간 동안 발효시켰다. 이후, 상기 발효된 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 건조하여, 최종 수분 함유량이 약 15%(v/w)가 되도록 조절함으로써, 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물을 준비하였다.
(중량부) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 2 비교예 3
보통 포틀랜드 시멘트 80 50 50 100 50
CSA계 시멘트 20 50 50 0 50
제강슬래그 18 25 28 17 0
고로슬래그 15 28 21 16 30
석고 15 12 15 15 18
탈황공정 부산물 9 9 9 0 0
제지소각재 11 11 11 0 0
폴리스티렌설폰산 칼슘 12 13 15 0 0
액상 규산소다 7 12 7 5 8
수산화마그네슘 3 7 7 3 1
불화칼슘 6 5 2 0 0
염화암모늄 5 1 2 0 0
카다놀 2 4 6 0 0
암모늄라우릴설페이트 0.5 1 1.2 0 0
무수 구연산 0.07 0.1 0.08 0.01 0.08
탄산나트륨 0.05 0.01 0.02 0.1 0.01
하이드록시에틸 메틸셀룰로오스
(HEMC)		 0.07 0.03 0.05 0.05 0.07
펄프, 제지슬러지 및 제지오니의 발효물 0 7 5 0 0
알루민산소다 0 0 0 0 2
천연토사(사질토)에, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 2, 3에서 제조된 각각의 고화재 조성물을 하기 표 2에 나타낸 함량에 따라, 투입한 후 건식혼합을 실시하였다. 이후 하기 표 2에 나타낸 함량의 물을 추가 투입하여 다시 습식혼합한 후, 균질하게 혼합하여 고화토를 제조하였다.
이때, 상기 제조된 고화토 중 실시예 3에 따른 고화토의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 3에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 사용한 고화토의 경우, 고화토가 매우 잘 뭉쳐져 있는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 제조된 각각의 고화토를 Ø5cm×10cm 크기의 원형 몰드에 충진하여 압축강도 측정용 공시체를 제조하였다.
(중량부) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 2 비교예 3
천연토사 100 100 100 100 100
고화재 조성물 15 15 15 30 15
물 12 12 12 30 12
[실험예]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 공시체에 대하여, 압축강도 및 중금속 용출 여부를 평가하였다. 이때, 상기 압축강도 평가는 상기 각각의 공시체들을 20℃ 항온항습기에서 양생하여 재령 3일, 7일, 28일에, KS F 2328 일축압축강도 시험방법에 의하여 실시하였다. 또한, 상기 중금속 용출 여부의 평가는 상기 28일 압축강도 측정 후 일부를 채취하여, 폐기물공정시험기준에 따른 중금속 용출시험방법에 의하여 실시하였다. 이에 따른 결과는 각각 하기 표 3 및 4에 나타내었다.
(MPa) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
압축강도 3일 5.56 5.84 5.79 5.12 5.21 5.16
압축강도 7일 8.06 8.32 8.14 7.02 7.13 7.08
압축강도 28일 18.17 19.31 19.45 12.43 13.55 13.14
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 3은 모두 비교예 1 내지 3과 비교하여 우수한 초기 압축강도 및 장기 압축강도를 발현하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 기존 대비 더 적은 양으로도 보통 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 성능 발휘가 충분히 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물의 구성성분 및 함량 범위 내로 제조되는 경우에만 보통 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 우수한 성능 발휘가 가능함을 확인할 수 있었다.
(KSLT 허용기준) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
6가크롬(1.5) 불검출 불검출 불검출 0.843
구리(3.0) 불검출 불검출 불검출 0.247
수은(0.005) 불검출 불검출 불검출 불검출
카드뮴(0.3) 불검출 불검출 불검출 0.159
납(3.0) 불검출 불검출 불검출 0.245
비소(1.5) 불검출 불검출 불검출 0.133
상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, 비교 예의 경우 허용기준치에는 모두 만족하는 것으로 나타났지만 6가 크롬의 경우 기준치의 50%를 상회하는 양이 용출되었다. 그러나 본 발명의 실시 예는 모두 6가 크롬뿐만 아니라 모든 중금속이 불검출된 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 시멘트, 초속경 시멘트, CSA계 시멘트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 시멘트 100 중량부에 대하여; 제강슬래그 10 내지 30 중량부; 고로슬래그 10 내지 30 중량부; 석고 8 내지 20 중량부; 탈황공정 부산물 5 내지 15 중량부; 제지소각재 5 내지 15 중량부; 폴리스티렌설폰산 칼슘 5 내지 15 중량부; 액상 규산소다(Na2SiO3) 5 내지 15 중량부; 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 1 내지 10 중량부; 불화칼슘(CaF2) 1 내지 10 중량부; 염화암모늄(NH4Cl) 1 내지 10 중량부; 카다놀 0.5 내지 7 중량부; 및 음이온성 계면활성제 0.1 내지 3 중량부를 포함하는 것이고;
    상기 제강슬래그는 분말도가 4,000 내지 8,000 cm2/g인 스테인레스 제강슬래그인 것이고;
    상기 고로슬래그는 분말도가 3,000 내지 5,000 ㎠/g인 것이고;
    상기 석고는 SO3의 함량이 1 내지 30 중량%이고, CaO의 함량이 50 내지 90 중량%인 것이고;
    상기 카다놀은 캐슈넛 오일의 주성분인 아나카딕산(anacardic acid)으로부터 추출된 성분인 것이고;
    상기 음이온성 계면활성제는 암모늄폴리옥시에틸렌라우릴에테르설페이트, 암모늄라우릴설페이트, 모노이소프로파놀아민라우릴에테르설페이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물은 상기 시멘트 100 중량부에 대하여, 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물 1 내지 10 중량부를 더 포함하는 것이고,
    상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은 수분 함유량이 15 내지 18%인 것을 특징으로 하는 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물은
    펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 혼합하여, 해양심층수에 침지시키는 단계; 상기 침지된 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 총 수분 함유량이 30 내지 40%(v/w)가 되도록 조절한 후, 1×106~8 CFU/ml의 미생물의 배양물을 혼합하고 25 내지 38℃에서 24 내지 75시간 동안 발효시키는 단계; 상기 발효된 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니를 건조하여, 최종 수분 함유량이 15 내지 18%(v/w)가 되도록 조절하여 펄프, 제지 슬러지 및 제지 오니의 발효물을 제조하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조되는 것이고;
    상기 미생물은 슈도자이마 스피시스(Pseudozyma sp.), 락토바실러스 (Lactobacillus sp.), 바실러스 (Bacillus sp), 류코노스톡 (Leuconostoc sp.) 속 및 이들의 혼합 미생물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물.
  4. 삭제
  5. 연약지반의 토양과 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물을 굴착 및 혼합하여 연약지반을 강화하는 연약지반 강화공법에 있어서,
    상기 연약지반 토양 100 중량부에 대하여,
    제1항 내지 제3항 중에서 선택되는 어느 한 항에 따른 연약지반 강화용 친환경 고화재 조성물 10 내지 50 중량부 및 물 3 내지 30 중량부를 굴착 및 혼합하여, 연약지반을 강화하는 것을 특징으로 하는 연약지반 강화공법.
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